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Diese Arbeit liefert einen Konzeptentwurf, der die Integration verschiedener Systeme mit prozessrelevanten klinischen Diensten gewährleistet. Chirurgische Abläufe werden in Form von Prozessen modelliert. Die Wahl der Notation und die Art der Modellierung dieser Prozesse spielt in der heutigen Forschung in diesem Gebiet eine zentrale Rolle. Sind diese Prozesse modelliert, besteht die Möglichkeit, diese in einer Workflow-Engine automatisiert auszuführen. Im Rahmen der Entwicklung eines Workflow-Managment-Systems stellt sich die Frage, wie die Anbindung dieser Workflow-Engine mit anderen Systemen erfolgen soll. In der Arbeit werden Schnittstellen abstrakt in der Web Services Description Language (WSDL) definiert. Darum werden automatisiert Artefakte erzeugt. Auf der Grundlage dieser Artefakte erfolgt die Integration der Systeme. Die Workflow-Engine kommunizieren über SOAP-Nachrichten (Simple Object Access Protocol) mit den entsprechenden Systemen. Dieser Ansatz wurde mithilfe eines Prototyps validiert und umgesetzt.
Die Segmentierung und das Tracking von minimal-invasiven robotergeführten Instrumenten ist ein wesentlicher Bestandteil für verschiedene computer assistierte Eingriffe. Allerdings treten in der minimal-invasiven Chirurgie, die das Anwendungsfeld für den hier beschriebenen Ansatz darstellt, häufig Schwierigkeiten durch Reflexionen, Schatten oder visuelle Verdeckungen durch Rauch und Organe auf und erschweren die Segmentierung und das Tracking der Instrumente.
Dieser Beitrag stellt einen Deep Learning Ansatz für ein markerloses Tracking von minimal-invasiven Instrumenten vor und wird sowohl auf simulierten als auch realen Daten getestet. Es wird ein simulierter als auch realer Datensatz mit Ground Truth Kennzeichnung für die binäre Segmentierung von Instrument und Hintergrund erstellt. Für den simulierten Datensatz werden Bilder aus einem simulierten Instrument und realem Hintergrund zusammengesetzt. Im Falle des realen Datensatzes spricht man von der Zusammensetzung der Bilder aus einem realen Instrument und Hintergrund. Insgesamt wird auf den simulierten Daten eine Pixelgenauigkeit von 94.70 Prozent und auf den realen Daten eine Pixelgenauigkeit von 87.30 Prozent erreicht.
Die minimal-invasive Chirurgie (MIC) entwickelt sich durch den Einsatz von medizinischen Robotern wie dem da Vinci System von Intuitive Surgical stetig weiter. Hierdurch kann eine bessere oder gleichwertige Operation bei deutlich geringerer körperlicher Belastung des Operateurs erreicht werden. Dabei entstehen jedoch neue Problemstellungen wie beispielsweise Kollision zwischen Roboterarmen und die benötigte Zeit zum Einrichten einer geeigneten Roboterkonfiguration. Daher ist eine effiziente Vorbereitung und Planung der Interventionen erforderlich. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz für eine verbesserte Planung mit Augmented Reality (AR) und einer Robotik Simulationssoftware (RS). Die Robotik Simulation dient zur Berechnung einer Roboterkonfiguration unter Vorgabe der Port-Positionen. Augmented Reality wird verwendet, um die berechneten Pose in der realen Umgebung zu visualisieren und somit leichter in den Operationssaal zu übertragen.
OR-Pad - Entwicklung eines Prototyps zur sterilen Informationsanzeige am OP-Situs : meeting abstract
(2019)
Hintergrund: Oftmals werden Informationen aus der Krankenakte oder von Bildgebungsverfahren nur auf recht weit vom Operationsgebiet entfernten Monitoren, außerhalb der ergonomischen Sichtachse des Operateurs, dargestellt. Dies führt dazu, dass relevante Informationen übersehen werden oder ihr Informationspotenzial nicht ausgeschöpft werden kann. In Papierform mitgenommene Notizen befinden sich während der OP außerhalb des sterilen Bereichs und sind dadurch für den Operateur nicht ohne Weiteres zugänglich. Auch bei intraoperativen Einträgen für die OP Dokumentation ist der Operateur auf die Mithilfe der Assistenz angewiesen. Durch die zusätzlichen Kommunikationswege entstehen dabei ein personeller und zeitlicher Mehraufwand und das Fehlerpotenzial nimmt zu. Das anwendungsorientierte Forschungsprojekt OR-Pad - Nutzung von portablen Informationsanzeigen im Operationssaal - soll dem Operateur zu einem verbesserten Informationsfluss verhelfen. Die Idee entstand aus der klinischen Routine der Anatomie und Urologie des Universitätsklinikums Tübingen und wird nun durch Fördermittel vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg sowie vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung an der Hochschule Reutlingen zu einem High Fidelity-Prototypen weiterentwickelt.
Ziel: Ziel des OR-Pad Projekts ist es, während einer OP zum aktuellen Zeitpunkt klinisch relevante Informationen in unmittelbarer Nähe zum Operateur darzustellen. Mithilfe des Systems soll der Informationsfluss zwischen dem Eingriff sowie dessen Vor- und Nachbereitung optimiert werden. Der Operateur soll vorab relevante Informationen, wie aktuelle Röntgenbilder oder persönliche Notizen, zur intraoperativen Anzeige auswählen können, die dann am OP-Situs auf einer sterilen Informationsanzeige dargestellt werden. Durch die Positionierung soll eine ergonomische Sichtachse sowie die direkte Interaktion mit dem System ermöglicht werden. Kontextrelevante Informationen sollen basierend auf dem aktuellen OP-Verlauf durch die Entwicklung einer Situationserkennung automatisch bereitgestellt werden. Zur Optimierung des Informationsflusses gehört ebenfalls die Unterstützung der OP-Dokumentation. Für diese sollen während des Eingriffs manuell vom Operateur sowie automatisch vom System Einträge, wie Zeitpunkte oder intraoperative Aufnahmen, erstellt werden. Aus diesen soll nach dem Eingriff die OP-Dokumentation generiert und damit der Prozess qualitativer und zeiteffizienter gestaltet werden.
Methodik: Zur Erreichung des Ziels werden zunächst die klinischen Anforderungen spezifiziert und in ein Lastenheft überführt. Hierfür werden Interviews und Beobachtungen bei mehreren Interventionen durchgeführt. Nach dem User-Centered-Designprozess werden Personas und Nutzungsszenarien entworfen und mit klinischen Projektpartnern in mehreren Iterationen evaluiert. Es gilt eine Informationsarchitektur aufzubauen, die eine Einbettung klinischer Informationssysteme sowie Bild- und Gerätedaten aus dem OP-Netzwerk erlaubt. Eine Situationserkennung, basierend auf Prozessmodellen, soll zur Abschätzung des Operationsfortschritts entwickelt werden. Zur Befestigung der Informationsanzeige sollen geeignete Haltemechanismen eingesetzt werden. Das OR-Pad System soll laufend im Lehr- und Forschungs-OP der Hochschule Reutlingen getestet und im Sinne agiler Produktentwicklung mit den klinischen Projektpartnern abgestimmt werden. Der finale Funktionsprototyp soll abschließend in den Versuchs-OPs der Anatomie Tübingen getestet und evaluiert werden.
Ergebnisse: Über eine erste Datenerhebung mittels Contextual Inquiry konnten erste Anforderungen an das OR-Pad System erfasst werden, woraus ein Low-Fidelity-Prototyp resultierte. Die Evaluation über Experteninterviews führte in die zweite Iteration, in der das Konzept entsprechend der Ergebnisse angepasst wurde. Über Hospitationen am Uniklinikum Tübingen fand eine weitere Datenerhebung zur Erstellung von Szenarien für die intraoperativen Anwendungsfälle statt. Anhand der Anforderungen wurde ein Konzept für die Benutzerschnittstelle entworfen, die im weiteren Verlauf mit den klinischen Projektpartnern evaluiert wird.
In der Orthopädie werden Robotersysteme bereits seit mehreren Jahren erfolgreich unterstützend eingesetzt. Dieser Ansatz erfordert die vorgelagerte Erstellung eines digitalen Modells auf Basis von medizinischen Bilddatensätzen. Die Erstellung und Überprüfung der Modelle soll in einer browserbasierten Client- Server-Anwendung erfolgen. Hierfür ist die Darstellung von zweidimensionalen und dreidimensionalen Datensätzen erforderlich. Basis dieses Papers ist die Entwicklung eines Ansatzes zur interaktiven, browserbasierten dreidimensionalen Darstellung medizinischer Planungsdaten. Die Anwendung stellt ein Proof of Concept dar, ob die bestehenden Desktopanwendungen zur Darstellung von Planungsdaten ersetzt werden können. Mit Hilfe des Frameworks AMI.js wurde die Anwendung umgesetzt. Sie erfüllt alle definierten Anforderungen und kann somit die aktuellen Desktopanwendungen ersetzen.
Die Bereitstellung klinischer Informationen im Operationssaal ist ein wichtiger Aspekt zur Unterstützung des chirurgischen Teams. Die roboter-assistierte Ösophagusresektion ist ein besonders komplexer Eingriff, der Potenzial zur workflowbasierten Unterstützung bietet. Wir präsentieren erste Ergebnisse der Entwicklung eines Checklisten-Tools mit der zugrundeliegenden Modellierung des chirurgischen Workflows und Informationsbedarf der Chirurgen. Das Checklisten-Tool zeigt hierfür die durchzuführenden Schritte chronologisch an und stellt zusätzliche Informationen kontextadaptiert bereit. Eine automatische Dokumentation von Start- und Endzeiten einzelner OP-Phasen und Schritte soll zukünftige Prozessanalysen der Operation ermöglichen.
Die DGCH registriert vermehrt Klagen aus der klinischen Praxis hinsichtlich der nicht vollständigen Vernetzung bzw. Integration von Gerätesystemen im Chirurgischen OP. Die Anzahl, der Funktionsumfang und der Komplexitätsgrad der verwendeten Geräte nehmen ständig zu und machen die Bedienung immer aufwendiger und damit schwieriger und fehleranfälliger, sodass eine Verbesserung bei der Unterstützung im Ablauf wünschenswert ist. Die Sektion Computer- und telematikassistierte Chirurgie (CTAC) der DGCH hat es auf Veranlassung des Generalsekretärs deshalb übernommen, eine aktuelle Bestandsaufnahme vorzunehmen und mögliche Ansätze zur Verbesserung des derzeitigen Status zu bewerten.
Hintergrund: Endoskopische Operationsverfahren haben sich als Goldstandard in der Nasennebenhöhlen-(NNH-)Chirurgie etabliert. Den sich daraus ergebenden Herausforderungen für die chirurgische Ausbildung kann durch den Einsatz von Virtuelle-Realität-(VR-)Trainingssimulatoren begegnet werden. Bislang wurde eine Reihe von Simulatoren für NNH-Operationen entwickelt. Frühere Studien im Hinblick auf den Trainingseffekt wurden jedoch nur mit medizinisch vorgebildeten Probanden durchgeführt oder es wurde nicht über dessen zeitlichen Verlauf berichtet.
Methoden: Ein NNH-CT-Datensatz wurde nach der Segmentierung in ein 3-dimensionales, polygonales Oberflächenmodell überführt und mithilfe von originalem Fotomaterial texturiert. Die Interaktion mit der virtuellen Umgebung erfolgte über ein haptisches Eingabegerät. Während der Simulation wurden die Parameter Eingriffsdauer und Fehleranzahl erfasst. Zehn Probanden absolvierten jeweils eine Trainingseinheit bestehend aus je 5 Übungsdurchläufen an 10 aufeinanderfolgenden Tagen.
Ergebnisse: Vier Probanden verringerten die benötigte Zeit um mehr als 60% im Verlauf des Übungszeitraums. Vier der Probanden verringerten ihre Fehleranzahl um mehr als 60%. Acht von 10 Probanden zeigten eine Verbesserung bezüglich beider Parameter. Im Median wurde im gesamten gemessenen Zeitraum die Dauer des Eingriffs um 46 Sekunden und die Fehleranzahl um 191 reduziert. Die Überprüfung eines Zusammenhangs zwischen den 2 Parametern ergab eine positive Korrelation.
Schlussfolgerung: Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das Training am NNH-Simulator auch bei unerfahrenen Personen die Performance beträchtlich verbessert, sowohl in Bezug auf die Dauer als auch auf die Genauigkeit des Eingriffs.
Zur Unterstützung des Operateurs wird eine patientennahe Informationsanzeige entwickelt, die kontextrelevante Informationen entsprechend der aktuellen Situation bereitstellen kann. Hierfür soll eine Situationserkennung konzipiert werden, die auf unterschiedliche intraoperative Prozesse übertragen werden kann. Ziel der adaptiven Situationserkennung ist das Erkennen spezifischer Situationen durch intraoperative Informationen unterschiedlicher Datenquellen im Operationssaal. Innerhalb der Datenerhebung und -analyse wurden Anwendungsfälle für die Situationserkennung definiert sowie chirurgische Prozessmodelle erstellt, die intraoperative Ereignisse abbilden. Auf Basis dieser Informationen wurde ein Konzept entworfen, das sich zunächst auf die Erkennung abstrakter generalisierter Phasen, unabhängig vom Eingriff, fokussiert und sich Schritt für Schritt auf granulare Prozessschritte spezifizieren lässt. Diese Flexibilität soll die Übertragbarkeit des Konzepts auf intraoperative Prozesse ermöglichen und den Operateur dadurch gezielt mit kontextrelevanten Informationen unterstützen. Das Konzept wird in zukünftigen Schritten weiterentwickelt.
Informationstechnische Systeme, die den Arbeitsablauf im klinischen Bereich unterstützen, sind aktuell auf organisatorische Abläufe beschränkt. Diese Arbeit stellt einen ersten Ansatz vor, wie solch ein System in den perioperativen Bereich eingebracht werden kann. Hierzu wurde eine Workflow Engine mit einer perioperativen Prozess-Visualisierung verknüpft. Das System wurde nach Modell-View-Controller-Prinzip implementiert. Als "Controller" kommt die Workflow Engine zum Einsatz; also "Modell" ein Prozessmodell, mit den erforderlichen klinischen Daten. Der "View" wurde durch eine abgekoppelte Anwendung realisiert, welche auf Web-Technologien basiert. Drei Visualisierungen, die Workflow Engine sowie die Anbindung beider über eine Datenbankschnittstelle, wurden erfolgreich umgesetzt. Bei den drei Visualisierungen wurden jeweils eine Ansicht für den OP-Koordinator, den Springer und eine Ansicht für die Übersicht einer OP erstellt.